Een interdisciplinair onderzoeksteam van de Universiteit van Missouri heeft onlangs een nieuwe biologische opslagoplossing voorgesteld, waarbij wordt beweerd dat deze naar verwachting DNA-moleculen zal "transformeren" in een herschrijfbare digitale harde schijf voor het opslaan van verschillende digitale bestanden. Hoewel het nog vele jaren verwijderd is van praktisch commercieel gebruik, wordt dit onderzoek beschouwd als een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van DNA-gegevensopslag.

Li-Qun Gu, onderzoeker en co-auteur van het artikel, wees erop dat DNA een uiterst compacte en zeer stabiele informatiedrager is. De natuurlijke DNA-keten registreert de genetische blauwdruk van al het leven op aarde, en het doel van het team is om dit moleculaire systeem te herontwerpen tot een universeel opslagmedium voor de computerwereld. Daartoe stelden ze een schrijfmethode voor die gebaseerd was op ‘frameshift-codering’, een concept dat is afgeleid van het wijdverbreide ribosomale frameshift-mechanisme in virussen: een enkele mRNA-streng kan meerdere eiwitten genereren door het leesframe te verschuiven, waardoor een hogere informatiedichtheid ‘uitgedrukt’ wordt in een beperkte volgorde.

Het onderzoeksteam is van mening dat dit principe ook kan worden omgezet in een digitaal schrijfproces, dat wil zeggen dat door het zorgvuldige ontwerp van DNA-basissequenties nullen en enen worden gecodeerd in de moleculaire structuur om snel, kostenbeheersbaar en zeer parallel schrijven van gegevens te bereiken. De technische details van deze methode zijn gepubliceerd in het tijdschrift PNAS Nexus. De auteur stelde in het artikel voor dat deze coderingsstrategie, geïnspireerd door ribosomale frameshifting, het potentieel heeft om een ​​schaalbaar dataschrijfsysteem op moleculair niveau te ondersteunen, maar er zijn nog steeds veel biochemische en systeemtechnische uitdagingen die in de richting van engineering en commercialisering moeten evolueren.

Wat de uitlezing betreft, ontwikkelden de onderzoekers een compact elektronisch apparaat voor gebruik met een moleculaire detector: terwijl de synthetische DNA-streng door de detector gaat, worden de subtiele ladingsveranderingen die daardoor worden veroorzaakt, opgepikt en vertaald in een binaire reeks, en uiteindelijk gereconstrueerd in een digitaal bestand. Gu Liqun zei dat deze nieuwe methode, vergeleken met eerdere DNA-opslagoplossingen, voordelen biedt op het gebied van snelheid, bedieningsgemak en milieuvriendelijkheid. De huidige omvang van het apparaat is echter nog steeds relatief groot, en verdere miniaturisatie en geïntegreerd ontwerp zijn nodig om een ​​draagbare vorm te bereiken die lijkt op een USB-flashdrive.

In termen van mogelijke toepassingen gaf het onderzoeksteam een ​​nogal fantasierijke visie: DNA-opslag zal naar verwachting worden gebruikt om verschillende soorten informatie te beschermen, variërend van persoonlijke herinneringen en belangrijke documenten tot wetenschappelijke gegevens en bedrijfsarchieven, zonder te vertrouwen op de traditionele netwerkinfrastructuur, waardoor tot op zekere hoogte de cyberaanvallen en netwerkveiligheidsrisico's waarmee bestaande digitale systemen worden geconfronteerd, worden vermeden. "Je kunt het zien als een uiterst veilige digitale kluis." zei Gu Liqun.

Vanuit fysisch perspectief is de dubbele helix van DNA een driedimensionale biologische structuur op microscopische schaal. Deze moleculaire architectuur geeft het een theoretische opslagdichtheid die veel hoger is dan die van tweedimensionale halfgeleiderchips of traditionele magnetische opnameschijven. Tegelijkertijd worden door sommige onderzoekers ook aangenomen dat offline opslagvormen op moleculair niveau natuurlijke "isolatie" -voordelen hebben tegen bepaalde soorten netwerkinbraken. Het vinden van een technisch evenwicht tussen ultrahoge dichtheid, langdurige opslag en snel willekeurig lezen en schrijven is echter nog steeds een van de kernproblemen op dit gebied.

Wereldwijd wordt op DNA gebaseerde technologie voor informatieopslag al vele jaren voortdurend onderzocht. Onderzoeksfocus omvat onder meer het verbeteren van de bruikbaarheid van apparatuur, het verlagen van de kosten voor synthese en sequencing, en het versnellen van het gegevenscoderings- en decoderingsproces. Eerder gerelateerd werk omvat het voorstellen van het concept van "DNA-cassette" om enorme audio-inhoud op te slaan, en het gebruik van kunstmatige intelligentie om de efficiëntie van het ophalen van DNA-gegevens aanzienlijk te verbeteren. De door het team van de Universiteit van Missouri voorgestelde herschrijfbare DNA-harde schijf-oplossing is gebaseerd op deze onderzoekscontext en probeert een nieuwe coderingsmethode en lees- en schrijfarchitectuur te gebruiken om de technologie een stap verder te brengen.